DE102017216962A1 - Micromechanical sensor arrangement - Google Patents

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DE102017216962A1
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micromechanical sensor
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thin layer
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German (de)
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Monika Koster
Denis Gugel
Jan Waldmann
Michael Jaax
Benny Pekka Herzogenrath
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Sensoranordnung umfassend eine Masse, welche zumindest in z-Richtung auslenkbar ist, wobei an der Masse auf zumindest einer der in z-Richtung orientierten Seiten über eine Verbindungseinrichtung eine federnd ausgebildete Anschlagseinrichtung angeordnet ist.The invention relates to a micromechanical sensor arrangement comprising a mass which can be deflected at least in the z-direction, wherein a spring-shaped stop device is arranged on the mass on at least one of the sides oriented in the z-direction via a connecting device.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Sensoranordnung umfassend eine Masse, welche zumindest in z-Richtung auslenkbar ist.The invention relates to a micromechanical sensor arrangement comprising a mass which is deflectable at least in the z-direction.

Die Erfindung trifft weiter ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Sensoranordnung.The invention further relates to a method for producing a micromechanical sensor arrangement.

Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf mikromechanische Sensoranordnungen anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf mikromechanische Inertialsensoren erläutert.Although the present invention is generally applicable to micromechanical sensor arrays, the present invention will be explained with respect to micromechanical inertial sensors.

Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige auslenkbare Massen anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf eine seismische Masse eines Feder-Masse-Systems erläutert.Although the present invention is generally applicable to any deflectable masses, the present invention will be explained with reference to a seismic mass of a spring-mass system.

Mikromechanische Inertialsensoren werden unter anderem als Beschleunigungssensoren oder Neigungssensoren verwendet. Bei mechanischer Überlast kommt deren seismische Masse in Berührung mit festen Anschlagsstrukturen, welche die weitere Bewegung der seismischen Masse einschränken. Der Ausschlag der seismischen Masse kann dabei parallel zu einer Ebene des Substrats, als auch bei Beschleunigung und Drehratensensoren senkrecht zur Substratebene erfolgen. Im letzteren Fall sind dann Anschlagsstrukturen senkrecht zur Substratebene angeordnet. Beim Auftreten einer mechanischen Überlast kann die seismische Masse an der Anschlagsstruktur anhaften. Bei Überlast können sich zudem die Anschlagsstrukturen und/oder die seismische Masse aufgrund der beim Anschlag übertragenen kinetischen Energie verformen.Micromechanical inertial sensors are used, inter alia, as acceleration sensors or tilt sensors. In the case of mechanical overload, their seismic mass comes into contact with fixed stop structures, which restrict the further movement of the seismic mass. The rash of the seismic mass can be parallel to a plane of the substrate, as well as in acceleration and rotation rate sensors perpendicular to the substrate plane. In the latter case, stop structures are then arranged perpendicular to the substrate plane. When a mechanical overload occurs, the seismic mass may adhere to the stop structure. In the event of overload, the stop structures and / or the seismic mass may also deform due to the kinetic energy transmitted during the stop.

Aus der US 2010/007874 A1 ist eine mikromechanische Sensoranordnung bekannt geworden, die eine Masse umfasst, welche in z-Richtung auslenkbar ist. Hierbei weist die Masse ein mit der Masse verbundenes zusätzliches Federelement auf, welches in der Ebene der Masse angeordnet ist und in z-Richtung auslenkbar ist und das ausgebildet ist, eine Kraft entgegen der Auslenkungskraft der Masse bereit zu stellen.From the US 2010/007874 A1 a micromechanical sensor arrangement has become known which comprises a mass which can be deflected in the z-direction. Here, the mass has an additional spring element connected to the mass, which is arranged in the plane of the mass and can be deflected in the z-direction and which is designed to provide a force against the deflection force of the mass.

Aus der US 2016/0094156 A1 ist ein mikromechanischer Sensor bekannt geworden. Der mikromechanische Sensor umfasst ein Feder-Massesystem. Darüber hinaus sind Anschläge auf einem Substrat für die Masse des Feder-Massesystems angeordnet. Die Anschläge sind dabei auf einem plattenförmigen flexiblen Element angeordnet, das wiederum auf festen Lagerpunkten angeordnet ist.From the US 2016/0094156 A1 a micromechanical sensor has become known. The micromechanical sensor comprises a spring mass system. In addition, stops are arranged on a substrate for the mass of the spring mass system. The stops are arranged on a plate-shaped flexible element, which in turn is arranged on fixed bearing points.

Aus der KR 2015/0090629 A ist ein mikromechanischer Sensor mit einer Membran bekannt geworden, die Anschläge für eine auslenkbare Masse aufweist. Die Membran samt Anschlägen ist dabei oberhalb und unterhalb der auslenkbaren Masse fest angeordnet.From the KR 2015/0090629 A For example, a micromechanical sensor with a membrane has become known which has stops for a deflectable mass. The membrane together with stops is fixedly arranged above and below the deflectable mass.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

In einer Ausführungsform stellt die Erfindung eine mikromechanische Sensoranordnung bereit, umfassend eine Masse, welche zumindest in z-Richtung auslenkbar ist, wobei an der Masse auf zumindest einer der in z-Richtung orientierten Seiten über eine Verbindungseinrichtung eine federnd ausgebildete Anschlagseinrichtung angeordnet ist.In one embodiment, the invention provides a micromechanical sensor arrangement, comprising a mass which is deflectable at least in the z-direction, wherein on the mass on at least one of the oriented in the z-direction sides via a connecting means a resiliently formed stop means is arranged.

In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Sensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1-11 bereit, wobei nacheinander eine Anschlagsschicht umfassend die Anschlagseinrichtung und die dünne Schicht, eine Verbindungsschicht, umfassend die Verbindungsstruktur, und die Masse hergestellt wird, wobei nacheinander für jede Schicht:

  • - Material für diese Schicht abgeschieden wird,
  • - das abgeschiedene Material strukturiert wird,
  • - eine Opferschicht auf das strukturierte Material abgeschieden wird, und
  • - die Opferschicht strukturiert wird,
und wobei anschließend alle Opferschichten entfernt werden.In a further embodiment, the invention provides a method for producing a micromechanical sensor arrangement according to one of claims 1-11, wherein successively a stop layer comprising the stop device and the thin layer, a connection layer comprising the connection structure, and the mass is produced, one after the other for each layer:
  • Material is deposited for this layer,
  • - the deposited material is structured,
  • - A sacrificial layer is deposited on the structured material, and
  • - the sacrificial layer is structured,
and subsequently removing all sacrificial layers.

Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass eine Reduktion der übertragenen kinetischen Energie im Überlastfall ermöglicht wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass damit Beschädigungen und Verformungen von mikromechanischen Strukturen vermieden werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine Adhäsion der ausgelenkten Masse an einer Anschlagsstruktur, einem Substrat oder dergleichen vermieden oder zumindest die Wahrscheinlichkeit für eine Adhäsion reduziert wird.One of the advantages achieved with this is that a reduction of the transmitted kinetic energy in the event of overloading is made possible. Another advantage is that it prevents damage and deformation of micromechanical structures. A further advantage is that an adhesion of the deflected mass to a stop structure, a substrate or the like is avoided or at least the probability of adhesion is reduced.

Der Begriff „z-Richtung“, in Bezug auf eine Auslenkung, ist im weitesten Sinne zu verstehen und bezieht sich in den Ansprüchen, vorzugsweise in der Beschreibung auf eine beliebig orientierte Auslenkrichtung.The term "z-direction" with respect to a deflection is to be understood in the broadest sense and refers to an arbitrarily oriented deflection direction in the claims, preferably in the description.

Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar:Further features, advantages and further embodiments of the invention are described below or become apparent:

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Verbindungseinrichtung in Form einer Verbindungschicht angeordnet. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit die Verbindungseinrichtung auf einfache Weise herstellbar ist.According to an advantageous development, the connecting device is arranged in the form of a connecting layer. One of those achieved The advantage is that so that the connection device can be produced in a simple manner.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Anschlagseinrichtung eine dünne Schicht, insbesondere hergestellt aus Silizium, die auf ihrer der Masse abgewandten Seite zumindest einen Anschlag aufweist. Vorteil hiervon ist, dass damit eine effiziente Federwirkung durch Zusammenwirken des Anschlags mit der dünnen Schicht bereitgestellt wird. Darüber hinaus ist das Anbringen beziehungsweise Aufbringen von Anschlägen auf einfache Weise möglich. Unter einer dünnen Schicht ist hier insbesondere eine Schicht zu verstehen, deren Dicke in z-Richtung wesentlich kleiner ist als die Dicke der Masse, vorzugsweise weniger als 25 %, insbesondere weniger als 20 %, insbesondere weniger als 15 %, bevorzugt lediglich 10 % der Dicke der Masse in z-Richtung aufweist. Das Verhältnis der Dicke der dünnen Schicht und der Erstreckung der Anschläge in z-Richtung beträgt vorzugsweise zwischen 1 und 15, insbesondere zwischen 2 und 7, vorzugsweise 3. Die Größe der Erstreckung der Anschläge in z-Richtung und der Dicke der dünnen Schicht liegen insbesondere zwischen 0,25 µm und 2 µm.According to a further advantageous embodiment, the stop device comprises a thin layer, in particular made of silicon, which has on its side facing away from the mass at least one stop. The advantage of this is that it provides an efficient spring action through interaction of the stop with the thin layer. In addition, the attachment or application of attacks in a simple manner possible. A thin layer is to be understood here in particular as a layer whose thickness in the z-direction is substantially smaller than the thickness of the mass, preferably less than 25%, in particular less than 20%, in particular less than 15%, preferably only 10% Has thickness of the mass in the z-direction. The ratio of the thickness of the thin layer and the extension of the stops in the z-direction is preferably between 1 and 15, in particular between 2 and 7, preferably 3. The size of the extension of the stops in the z-direction and the thickness of the thin layer are in particular between 0.25 μm and 2 μm.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind mehrere Anschläge angeordnet, die zumindest in z-Richtung unterschiedliche Erstreckung und/oder unterschiedliche Stetigkeit aufweisen. Damit wird zum einen eine feine Unterteilung der Dämpfung der Masse durch die Anschläge ermöglicht, zum anderen kann durch die Anordnung von mehreren Anschlägen in äußerst flexibler Weise eine Dämpfungswirkung mittels der Dämpfungsanordnung durch die Anordnung beziehungsweise Ausbildung der Anschläge zur Verfügung gestellt werden.According to a further advantageous embodiment, a plurality of stops are arranged, which have different extension and / or different continuity at least in the z-direction. Thus, a fine subdivision of the damping of the mass is made possible by the attacks on the one hand, on the other can be provided by the arrangement of several attacks in a highly flexible manner, a damping effect by means of the damping arrangement by the arrangement or training of the attacks.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weisen die Anschläge in zumindest eine Richtung entlang der dünnen Schicht zunehmende Erstreckung in z-Richtung auf. Damit lässt sich in äußerst flexibler Weise eine abgestufte Dämpfung entlang der zumindest einen Richtung zur Verfügung stellen.According to a further advantageous embodiment, the stops in at least one direction along the thin layer increasing extent in the z-direction. This makes it possible to provide a gradual damping along the at least one direction in a highly flexible manner.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die dünne Schicht zumindest eine Ausnehmung und/oder zumindest ein Loch und/oder zumindest eine Erhebung auf. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass die Dämpfungswirkung beziehungsweise die Federwirkung der dünnen Schicht auf einfache und gleichzeitig äußerst flexible Weise an vorgegebene Bedingungen angepasst werden kann.According to a further advantageous development, the thin layer has at least one recess and / or at least one hole and / or at least one elevation. One of the advantages achieved with this is that the damping effect or the spring action of the thin layer can be adapted to given conditions in a simple and at the same time extremely flexible manner.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind mehrere Ausnehmungen und/oder Löcher in periodischer und/oder symmetrischer Weise angeordnet. Vorteil hiervon ist, dass eine Strukturierung der dünnen Schicht zur flexiblen Festlegung der Dämpfungswirkung beziehungsweise der Federwirkung auf einfache Weise erfolgen kann.According to a further advantageous development, a plurality of recesses and / or holes are arranged in a periodic and / or symmetrical manner. Advantage thereof is that a structuring of the thin layer for flexible determination of the damping effect or the spring action can be done in a simple manner.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind Anschläge mit einer höheren Steifigkeit in Bereichen der dünnen Schicht angeordnet, die mit der Verbindungseinrichtung verbunden sind. Damit wird ein übermäßiges Durchbiegen der dünnen Schicht verhindert.According to a further advantageous development, stops with a higher rigidity are arranged in regions of the thin layer which are connected to the connecting device. This prevents excessive bending of the thin layer.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind mehrere Anschläge asymmetrisch auf der dünnen Schicht angeordnet. Mittels einer asymmetrischen Anordnung kann ein Kippmoment bereitgestellt werden, was die Adhäsionsneigung der Anschläge bei Überlast an einem Substrat oder dergleichen weiter vermindert.According to a further advantageous embodiment, a plurality of stops are arranged asymmetrically on the thin layer. By means of an asymmetric arrangement, a tilting moment can be provided, which further reduces the adhesion tendency of the stops under overload on a substrate or the like.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Verbindungseinrichtung in U-Form ausgebildet und an zwei gegenüberliegenden Seiten der dünnen Schicht angeordnet, wobei die jeweiligen Ecken abgerundet sind. Damit wird ein Eintrag von Stress, Verwindungen oder dergleichen auf die dünne Schicht mittels der Verbindungseinrichtung vermieden.According to a further advantageous development, the connecting device is formed in a U-shape and arranged on two opposite sides of the thin layer, wherein the respective corners are rounded. This prevents an entry of stress, twisting or the like on the thin layer by means of the connecting device.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Masse als seismische Masse als Teil eines Feder-Masse-Systems ausgebildet. Auf diese Weise kann ein äußerst zuverlässiger Inertialsensor zur Verfügung gestellt werden.According to a further advantageous development, the mass is formed as a seismic mass as part of a spring-mass system. In this way, a highly reliable inertial sensor can be provided.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das strukturierte Material von zumindest einer der Schichten nach Strukturieren der jeweiligen Opferschicht erneut strukturiert. Dies ermöglicht beispielsweise eine Strukturierung der dünnen Schicht mit Aussparungen oder dergleichen.According to a further advantageous development, the structured material of at least one of the layers is restructured after structuring the respective sacrificial layer. This allows, for example, a structuring of the thin layer with recesses or the like.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention will become apparent from the subclaims, from the drawings, and from associated figure description with reference to the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.Preferred embodiments and embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components or elements.

Figurenliste list of figures

Dabei zeigt in schematischer Form

  • 1 im Querschnitt eine mikromechanische Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 im Querschnitt eine mikromechanische Sensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine Draufsicht auf einen Teil einer mikromechanischen Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine Draufsicht auf einen Teil einer mikromechanischen Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 5 eine Ansicht von unten auf eine dünne Schicht einer mikromechanischen Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
This shows in schematic form
  • 1 in cross section a micromechanical sensor arrangement according to an embodiment of the present invention;
  • 2 in cross section a micromechanical sensor arrangement according to another embodiment of the present invention;
  • 3 a plan view of a portion of a micromechanical sensor assembly according to an embodiment of the present invention;
  • 4 a plan view of a portion of a micromechanical sensor assembly according to an embodiment of the present invention; and
  • 5 a bottom view of a thin layer of a micromechanical sensor assembly according to an embodiment of the present invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt in schematischer Form im Querschnitt eine mikromechanische Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 shows in schematic form in cross section a micromechanical sensor arrangement according to an embodiment of the present invention.

Im Detail ist in 1 ein Querschnitt durch eine mikromechanische Sensoranordnung 100 gezeigt. Die mikromechanische Sensoranordnung 100 umfasst eine seismische Masse 4, die in z-Richtung 7, also in 1 nach oben beziehungsweise unten translatorisch bewegbar beziehungsweise auslenkbar ist. Auf der Unterseite 4' der seismischen Masse 4 - also einer der beiden Seiten der seismischen Masse 4 in Richtung einer Auslenkung in z-Richtung 7 - ist teilweise eine Verbindungschicht 3 angeordnet, die mit einer dünnen Schicht 2 verbunden ist. Zwischen der seismischen Masse 4 und der dünnen Schicht 2 ist ein nachgiebiger Bereich angeordnet. Dieser wird dadurch gebildet, dass die Verbindungschicht 3 zwischen seismischer Masse 4 und dünner Schicht 2 eine Aussparung 8 aufweist. Auf der der seismischen Masse 4 abgewandten Seite der dünnen Schicht 2 sind zwei Anschläge 5 und 6 gezeigt. Der Anschlag 5 weist eine größere Dicke in z-Richtung 7 auf als der zweite Anschlag 6. Darüber hinaus ist der Anschlag 5 weiter außenliegend bezogen auf den Mittelpunkt (hier nicht gezeigt, dieser liegt im Bereich im weiteren Verlauf der seismischen Masse nach rechts in 1) der seismischen Masse 4 als der Anschlag 6. Die seismische Masse 4 kann dabei aus Silizium hergestellt sein, ebenso die Verbindungschicht 3. Seismische Masse 4 und Verbindungsschicht 3 sind mechanisch fest mit der dünnen Schicht 2, die ebenfalls aus Silizium sein kann hergestellt, verankert beziehungsweise verbunden. Die beiden Anschläge 5 beziehungsweise 6 können aus Silizium, Siliziumnitrid oder Germanium hergestellt sein.In detail is in 1 a cross section through a micromechanical sensor arrangement 100 shown. The micromechanical sensor arrangement 100 includes a seismic mass 4 in the z direction 7 , so in 1 is up or down translationally movable or deflected. On the bottom 4 ' the seismic mass 4 - So one of the two sides of the seismic mass 4 in the direction of a deflection in the z-direction 7 - is partially a compound layer 3 arranged with a thin layer 2 connected is. Between the seismic mass 4 and the thin layer 2 a compliant area is arranged. This is formed by the fact that the compound layer 3 between seismic mass 4 and thin layer 2 a recess 8th having. On the seismic mass 4 opposite side of the thin layer 2 are two stops 5 and 6 shown. The stop 5 has a greater thickness in the z-direction 7 on as the second stop 6 , In addition, the stop 5 farther outboard relative to the center (not shown here, this lies in the area in the further course of the seismic mass to the right in 1 ) of the seismic mass 4 as the stop 6 , The seismic mass 4 can be made of silicon, as well as the compound layer 3 , Seismic mass 4 and connecting layer 3 are mechanically strong with the thin layer 2 , which can also be made of silicon, anchored or connected. The two attacks 5 respectively 6 may be made of silicon, silicon nitride or germanium.

Wird nun die bewegliche mikromechanische Sensoranordnung 100 durch mechanische Überlast in negative z-Richtung 7 ausgelenkt, so setzt zuerst der erste Anschlag 5 auf einer unbeweglichen Silizium-, Siliziumnitrid-, Kupfer- oder Aluminiumschicht mit Substratanbindung 1 auf. Bei weiterer Auslenkung gibt die dünne Schicht 2 der Bewegung nach und absorbiert dabei einen Teil der kinetischen Energie der Überlast. Ab einer bestimmten Auslenkung der dünnen Schicht 2 in negative z-Richtung 7 setzt dann der zweite Anschlag 6, welcher hier eine höhere Steifigkeit aufweist als der erste Anschlag 5, auf der unbeweglichen Siliziumschicht 1 auf und die bewegliche Masse 4 der mikromechanischen Sensoranordnung 100 kommt zum Ruhen.Will now be the movable micromechanical sensor assembly 100 due to mechanical overload in negative z-direction 7 deflected, so first sets the first stop 5 on an immovable silicon, silicon nitride, copper or aluminum layer with substrate connection 1 on. Upon further deflection gives the thin layer 2 movement, absorbing some of the kinetic energy of the overload. From a certain deflection of the thin layer 2 in negative z-direction 7 then sets the second stop 6 , which has a higher rigidity than the first stop 5 , on the immovable silicon layer 1 on and the moving mass 4 the micromechanical sensor arrangement 100 comes to rest.

2 zeigt in schematischer Form im Querschnitt eine mikromechanische Senderanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 shows in schematic form in cross section a micromechanical transmitter arrangement according to another embodiment of the present invention.

In 2 ist im Wesentlichen eine mikromechanische Sensoranordnung 100 gemäß 1 gezeigt. Im Unterschied zur mikromechanischen Anordnung 100 gemäß 1 weist die mikromechanische Sensoranordnung 100 gemäß 2 nun gleich ausgebildete Anschläge 5, 5' auf. Darüber hinaus ist die mikromechanische Sensoranordnung 100 nun als z-Wippe ausgebildet, das heißt anstelle einer translatorischen Bewegung der seismischen Masse 4 gemäß 1 kann diese nun eine rotatorische Bewegung ausführen. Es kann hier somit auf den zweiten Anschlag mit festerer Steifigkeit, in 1 mit Bezugszeichen 6 bezeichnet, verzichtet werden. In 2 sind zwei gleich ausgebildete Anschläge 5, 5' angeordnet, die zum einen gleiche Erstreckung in z-Richtung aufweisen zum anderen auch aus dem gleichen Material beziehungsweise der gleichen Schicht hergestellt wurden.In 2 is essentially a micromechanical sensor arrangement 100 according to 1 shown. In contrast to the micromechanical arrangement 100 according to 1 has the micromechanical sensor arrangement 100 according to 2 now equal attacks 5 . 5 ' on. In addition, the micromechanical sensor arrangement 100 now designed as z-rocker, that is, instead of a translational movement of the seismic mass 4 according to 1 This can now perform a rotational movement. It can here thus on the second stop with firm rigidity, in 1 with reference number 6 designated, be waived. In 2 are two equally trained attacks 5 . 5 ' arranged on the one hand have the same extent in the z-direction to the other also made of the same material or the same layer.

3 zeigt in schematischer Form eine Draufsicht auf einen Teil einer mikromechanischen Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 shows in schematic form a plan view of a part of a micromechanical sensor arrangement according to an embodiment of the present invention.

In 3 ist im Detail eine Draufsicht auf eine strukturierte dünne Schicht 2 aus Silizium einer mikromechanischen Sensoranordnung 100 gezeigt. Angedeutet ist weiter ein in die Zeichenebene der 3 hineinragender Anschlag 5 in der Mitte der dünnen Schicht 2. Rechteckförmig umrandet wird die dünne Schicht 2 durch eine Verbindungseinrichtung 3. Darüber hinaus weist die dünne Schicht 2 in x-Richtung 9 eine kleinere Erstreckung auf als in y-Richtung 9'. Des Weiteren weist die dünne Schicht 2 in x-Richtung 9 drei Reihen rechteckförmiger Aussparungen 10 auf, die dazu dienen, um die Steifigkeit der Anschlagseinrichtung 2, 5 insgesamt anzupassen beziehungsweise einzustellen. Rechteckförmige Aussparungen 10 lassen sich auf einfache Weise herstellen, während insbesondere kreisförmige Aussparungen eine verbesserte Stressentlastung bereitstellen. Die Breite der Aussparungen in y-Richtung 9' kann beispielsweise zwischen 500 nm und 8 µm, insbesondere zwischen 2 µm und 5 µm betragen.In 3 in detail is a plan view of a structured thin layer 2 silicon of a micromechanical sensor arrangement 100 shown. It is further indicated in the plane of the drawing 3 protruding stop 5 in the middle of the thin layer 2 , The thin layer is bordered by a rectangle 2 by a connection device 3 , In addition, the thin layer indicates 2 in X direction 9 a smaller extent than in the y direction 9 ' , Furthermore, the thin layer 2 in X direction 9 three rows of rectangular recesses 10 on, which serve to the stiffness the stop device 2 . 5 to adjust or adjust altogether. Rectangular recesses 10 can be easily manufactured, while in particular circular recesses provide improved stress relief. The width of the recesses in the y direction 9 ' may for example be between 500 nm and 8 microns, in particular between 2 microns and 5 microns.

4 zeigt in schematischer Form eine Draufsicht auf einen Teil einer mikromechanischen Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4 shows in schematic form a plan view of a part of a micromechanical sensor arrangement according to an embodiment of the present invention.

In 4 ist im Wesentlichen eine dünne Schicht 2 sowie eine Verbindungseinrichtung 3 gemäß 3 gezeigt. Im Unterschied zur Verbindungseinrichtung 3 gemäß 3 ist die Verbindungseinrichtung 3 gemäß 4 nun lediglich an den schmalen Seiten 11, 11' der dünnen Schicht 2 angeordnet und rechteckförmig ausgebildet. Damit lässt sich ebenfalls die Steifigkeit der Anschlageinrichtung 2, 5 einstellen. Eine weitere hier nicht gezeigte Abwandlung der Verbindungseinrichtung 3 besteht darin, diese lediglich in y-Richtung 9' über einen Teil der gesamten Schicht 2 jeweils oben und unten zu erstrecken, sodass links und rechts auf den Schmalseiten 11, 11' der dünnen Schicht 2 eine Verbindungseinrichtung 3 in U-Form entsteht. Vorteilhafterweise sind die Übergänge der Verbindungseinrichtung 3 an den Ecken der U-Form abgerundet, was den Stress in der Verbindungseinrichtung 3 reduziert.In 4 is essentially a thin layer 2 and a connection device 3 according to 3 shown. In contrast to the connection device 3 according to 3 is the connection device 3 according to 4 now only on the narrow sides 11 . 11 ' the thin layer 2 arranged and formed rectangular. This also allows the rigidity of the stop device 2 . 5 to adjust. Another not shown here modification of the connecting device 3 This is just in the y direction 9 ' over part of the entire layer 2 each at the top and bottom to extend, so left and right on the narrow sides 11 . 11 ' the thin layer 2 a connection device 3 created in U-shape. Advantageously, the transitions of the connecting device 3 rounded off at the corners of the U-shape, reducing the stress in the connecting device 3 reduced.

5 zeigt in schematischer Form eine Ansicht von unten auf eine dünne Schicht einer mikromechanischen Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 5 shows in schematic form a view from below of a thin layer of a micromechanical sensor arrangement according to an embodiment of the present invention.

In 5 ist eine dünne Schicht 2, hergestellt aus Silizium, mit Ansicht von unten gezeigt. Die dünne Schicht 2 weist dabei keinerlei Strukturierung 10 auf. Weiterhin sind drei Anschläge 5, 5" gezeigt, wobei der Anschlag 5 im Wesentlichen in der Mitte der dünnen Schicht 2 angeordnet ist und in x-Richtung 9 gegenüber den beiden anderen Anschlägen 5" versetzt angeordnet ist. In y-Richtung 9' ist der Anschlag 5 im Wesentlichen in der Mitte der beiden Anschläge 5" angeordnet.In 5 is a thin layer 2 made of silicon, shown with bottom view. The thin layer 2 has no structuring 10 on. Furthermore, there are three attacks 5 . 5 ' shown, with the stop 5 essentially in the middle of the thin layer 2 is arranged and in the x-direction 9 opposite the other two stops 5 ' is arranged offset. In the y-direction 9 'is the stop 5 essentially in the middle of the two stops 5 ' arranged.

Wird nun die dünne Schicht 2 ohne Strukturierung entlang ihrer unteren Längsseite um die y-Achse 9' gedreht, kommt zuerst der obere Anschlag 5 in Kontakt mit einem Substrat und bei weiterer Überlastung dann gleichzeitig die beiden anderen Anschläge 5". Die Anschläge 5, 5" sind beziehungsweise bilden somit eine kaskadierte Anschlagseinrichtung 5, 5". Mit anderen Worten wird eine elastische Anschlagskaskade bereitgestellt. Dies wird durch die in y-Richtung 9' symmetrische Anordnung der Anschläge 5, 5" und deren asymmetrischer Anordnung entlang der x-Richtung 9 ermöglicht.Now the thin layer 2 without structuring along its lower longitudinal side about the y-axis 9 ' turned, comes first the upper stop 5 in contact with a substrate and in case of further overload then simultaneously the other two stops 5 ' , The attacks 5 . 5 ' are or form a cascaded stop device 5 . 5 ' , In other words, an elastic stop cascade is provided. This is done by the in y direction 9 ' symmetrical arrangement of the stops 5 . 5 ' and their asymmetric arrangement along the x-direction 9 allows.

Eine weitere Ausführungsform kann darin bestehen, einen der beiden Anschläge 5" zu entfernen, sodass insgesamt eine asymmetrische Anordnung der Anschläge 5, 5" entsteht. Auf diese Weise kann eine Kippbewegung auf eine damit verbundene seismische Masse 4 ausgeübt werden, was insgesamt ein Verkleben beziehungsweise Festkleben der Anschläge 5, 5" weiter vermindert. Another embodiment may be one of the two stops 5 ' so as to remove an overall asymmetric arrangement of the stops 5 . 5 ' arises. In this way, a tilting motion on a seismic mass connected thereto 4 exercised, resulting in a total sticking or sticking of the attacks 5 . 5 ' further diminished.

Durch den jeweiligen Winkel der Anschläge 5, 5" zueinander beziehungsweise zur Auslenkungsrichtung kann das Kräfteverhältnis zwischen den Anschlägen 5, 5" eingestellt werden. Je größer der Winkel gewählt wird, desto größer sind die Kräfte auf den mittigen Anschlag 5 und desto weniger auf die beiden in x-Richtung 9 seitlichen Anschläge 5".By the respective angle of the stops 5 . 5 ' to each other or to the deflection direction, the balance of power between the attacks 5 . 5 ' be set. The larger the angle is chosen, the greater are the forces on the central stop 5 and the less the two in the x-direction 9 lateral stops 5 ' ,

Zur Herstellung der mikromechanischen Sensoranordnung können die Schichten in einem additiven Prozess nacheinander hergestellt werden. So kann beispielsweise zunächst Silizium abgeschieden werden, dieses strukturiert werden und dann mit einer abgeschiedenen und strukturierten Opferschicht, beispielsweise einem Oxid, versehen werden. Anschließend wird erneut Material abgeschieden, strukturiert und mit einer Oxidschicht versehen. In einem weiteren Schritt werden durch Gasphasenätzen die Oxidschichten aus den Zwischenräumen entfernt und die Sensoranordnung damit freigestellt.To produce the micromechanical sensor arrangement, the layers can be produced one after the other in an additive process. Thus, for example, silicon can first be deposited, this can be patterned and then provided with a deposited and structured sacrificial layer, for example an oxide. Subsequently, material is again deposited, patterned and provided with an oxide layer. In a further step, the oxide layers are removed from the intermediate spaces by means of gas phase etching and the sensor arrangement is thus freed.

Zusammenfassend weist die Erfindung unter anderem den Vorteil auf, dass eine Adhäsion an Anschlagstrukturen vermieden werden kann, ebenso wie Beschädigungen der mikromechanischen Sensoranordnung. Darüber hinaus kann eine definierte Aufteilung von Anschlagskräften ermöglicht werden. Ebenso kann eine hohe Rotationssteifigkeit der Anschlagseinrichtung in einer Sensorebene bereitgestellt werden. Durch eine flexible Strukturierung der dünnen Schicht, insbesondere in Form einer dünnen Platte und deren Einspannung, also der Ausbildung der Verbindungseinrichtung, lässt sich in Abhängigkeit der Fläche und Dicke der dünnen Schicht die Steifigkeit der Anschlagseinrichtung senkrecht zu einer Sensorebene einstellen und damit können insbesondere hohe Steifigkeiten erreicht werden.In summary, the invention has, inter alia, the advantage that an adhesion to stop structures can be avoided, as well as damage to the micromechanical sensor arrangement. In addition, a defined distribution of impact forces can be made possible. Likewise, a high rotational rigidity of the stop device can be provided in a sensor plane. By a flexible structuring of the thin layer, in particular in the form of a thin plate and its clamping, so the formation of the connecting device, depending on the surface and thickness of the thin layer, the stiffness of the stop device can be set perpendicular to a sensor plane and thus in particular high stiffness be achieved.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.Although the present invention has been described in terms of preferred embodiments, it is not limited thereto, but modifiable in a variety of ways.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (13)

Mikromechanische Sensoranordnung (100), umfassend eine Masse (4), welche zumindest in z-Richtung (7) auslenkbar ist, wobei an der Masse (4) auf zumindest einer der in z-Richtung (7) orientierten Seiten (4') über eine Verbindungseinrichtung (3) eine federnd ausgebildete Anschlagseinrichtung (2, 5) angeordnet ist.Micromechanical sensor arrangement (100), comprising a mass (4) which is deflectable at least in the z-direction (7), wherein on the mass (4) on at least one of the z-direction (7) oriented sides (4 ') via a connecting device (3) is arranged a resilient stop means (2, 5). Mikromechanische Sensoranordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Verbindungseinrichtung (3) in Form einer Verbindungsschicht angeordnet ist.Micromechanical sensor arrangement according to Claim 1 , wherein the connecting device (3) is arranged in the form of a connecting layer. Mikromechanische Sensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1-2, wobei die Anschlagseinrichtung (2, 5) eine dünne Schicht (2), insbesondere hergestellt aus Silizium, umfasst, die auf ihrer der Masse (4) abgewandten Seite zumindest einen Anschlag (5, 5', 5", 6) aufweist.Micromechanical sensor arrangement according to one of Claims 1 - 2 , wherein the stop device (2, 5) comprises a thin layer (2), in particular made of silicon, which has on its side facing away from the mass (4) at least one stop (5, 5 ', 5 ", 6). Mikromechanische Sensoranordnung gemäß Anspruch 3, wobei mehrere Anschläge (5, 5', 5", 6) angeordnet sind, die zumindest in z-Richtung (7) unterschiedliche Erstreckung und/oder unterschiedliche Steifigkeit aufweisen.Micromechanical sensor arrangement according to Claim 3 , wherein a plurality of stops (5, 5 ', 5 ", 6) are arranged, which have at least in the z-direction (7) different extension and / or different stiffness. Mikromechanische Sensoranordnung gemäß Anspruch 4, wobei die Anschläge (5, 5', 5", 6) in zumindest einer Richtung entlang der dünnen Schicht (2) zunehmende Erstreckung in z-Richtung (7) aufweisen.Micromechanical sensor arrangement according to Claim 4 , wherein the stops (5, 5 ', 5 ", 6) in at least one direction along the thin layer (2) increasing extent in the z-direction (7). Mikromechanische Sensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 3-5, wobei die dünne Schicht (2) zumindest eine Ausnehmung (10) und/oder zumindest ein Loch und/oder zumindest eine Erhebung aufweist.Micromechanical sensor arrangement according to one of Claims 3 - 5 wherein the thin layer (2) has at least one recess (10) and / or at least one hole and / or at least one elevation. Mikromechanische Sensoranordnung gemäß Anspruch 6, wobei mehrere Ausnehmungen (10) und/oder Löcher in periodischer und/oder symmetrischer Weise angeordnet sind.Micromechanical sensor arrangement according to Claim 6 , wherein a plurality of recesses (10) and / or holes are arranged in a periodic and / or symmetrical manner. Mikromechanische Sensoranordnung gemäß Anspruch 4, wobei Anschläge (5, 5', 5", 6) mit einer höheren Steifigkeit in Bereichen der dünnen Schicht (2) angeordnet sind, die mit der Verbindungseinrichtung (3) verbunden sind.Micromechanical sensor arrangement according to Claim 4 in that stops (5, 5 ', 5 ", 6) with a higher rigidity are arranged in regions of the thin layer (2) which are connected to the connecting device (3). Mikromechanische Sensoranordnung gemäß einen der Ansprüche 1-8, wobei mehrere Anschläge (5, 5', 5'') asymmetrisch auf der dünnen Schicht (2) angeordnet sind.Micromechanical sensor arrangement according to one of Claims 1 - 8th , wherein a plurality of stops (5, 5 ', 5'') are arranged asymmetrically on the thin layer (2). Mikromechanische Sensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1-9, wobei die Verbindungseinrichtung (3) in U-Form ausgebildet und an zwei gegenüberliegenden Seiten (11, 11') der dünnen Schicht (2) angeordnet ist, wobei die jeweiligen Ecken abgerundet sind.Micromechanical sensor arrangement according to one of Claims 1 - 9 in that the connecting device (3) is formed in a U-shape and is arranged on two opposite sides (11, 11 ') of the thin layer (2), the respective corners being rounded. Mikromechanische Sensoranordnung gemäß einer der Ansprüche 1-10, wobei die Masse (4) als seismische Masse als Teil eines Feder-Masse-Systems ausgebildet ist.Micromechanical sensor arrangement according to one of the Claims 1 - 10 , wherein the mass (4) is formed as a seismic mass as part of a spring-mass system. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Sensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1-11, wobei nacheinander eine Anschlagsschicht umfassend die Anschlagseinrichtung (5, 5', 5") und die dünne Schicht (2), eine Verbindungsschicht (3), umfassend die Verbindungsstruktur, und die Masse (4), hergestellt wird, wobei nacheinander für jede Schicht: - Material für diese Schicht abgeschieden wird, - das abgeschiedene Material strukturiert wird, - eine Opferschicht auf das strukturierte Material abgeschieden wird, und - die Opferschicht strukturiert wird, und wobei anschließend alle Opferschichten entfernt werden.Method for producing a micromechanical sensor arrangement according to one of the Claims 1 - 11 in which a stop layer comprising the abutment device (5, 5 ', 5 ") and the thin layer (2), a connection layer (3) comprising the connection structure, and the mass (4) is produced in succession, successively for each layer In that: - material is deposited for this layer, - the deposited material is patterned, - a sacrificial layer is deposited on the structured material, and - the sacrificial layer is patterned, and subsequently all sacrificial layers are removed. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das strukturierte Material von zumindest einer der Schichten nach Strukturieren der jeweiligen Opferschicht erneut strukturiert wird.Method according to Claim 12 wherein the structured material of at least one of the layers is restructured after patterning the respective sacrificial layer.
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